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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024132386
(43)【公開日】2024-10-01
(54)【発明の名称】作業機械
(51)【国際特許分類】
E02F 9/24 20060101AFI20240920BHJP
E02F 9/22 20060101ALI20240920BHJP
【ＦＩ】
E02F9/24 H
E02F9/22 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023043125
(22)【出願日】2023-03-17
(71)【出願人】
【識別番号】000005522
【氏名又は名称】日立建機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001829
【氏名又は名称】弁理士法人開知
(72)【発明者】
【氏名】成川 理優
(72)【発明者】
【氏名】齋藤 哲平
(72)【発明者】
【氏名】小谷 匡士
(72)【発明者】
【氏名】石本 英史
(72)【発明者】
【氏名】伊東 英明
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 慧
【テーマコード（参考）】
2D003
2D015
【Ｆターム（参考）】
2D003AA01
2D003AB04
2D003BA02
2D003BA06
2D003CA02
2D003DA04
2D003DB03
2D003DB04
2D003DB05
2D015GA03
2D015GB04
(57)【要約】
【課題】掘削位置への到達時間の短縮と作業具の周囲物体との接触による損傷可能性の低減とを両立させた戻り動作を行うことができる作業機械を提供する。
【解決手段】作業機械１は、フロント作業装置２のバケット１０を掘削開始位置に向かって移動させる戻り動作の制御を行う制御装置６０を備える。制御装置６０は、周囲物体検出装置２６により検出された周囲物体に対してバケット１０との接触の可否を設定し、周囲物体のうち接触可に設定された周囲物体については、バケット１０の接触を許容しつつ戻り動作を行うように、上部旋回体５及びフロント作業装置２を動作させる。
【選択図】 図１１
【解決手段】作業機械１は、フロント作業装置２のバケット１０を掘削開始位置に向かって移動させる戻り動作の制御を行う制御装置６０を備える。制御装置６０は、周囲物体検出装置２６により検出された周囲物体に対してバケット１０との接触の可否を設定し、周囲物体のうち接触可に設定された周囲物体については、バケット１０の接触を許容しつつ戻り動作を行うように、上部旋回体５及びフロント作業装置２を動作させる。
【選択図】 図１１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
旋回可能な旋回体と、
前記旋回体に対して上下方向に回動可能に取り付けられ、作業具を有する多関節型の作業装置と、
前記旋回体の周囲に存在する地形を含む物体を検出する周囲物体検出装置と、
前記旋回体及び前記作業装置を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記作業装置が掘削対象の掘削を開始する位置である掘削開始位置に向かって前記作業具を移動させる戻り動作の制御を行うように構成された作業機械において、
前記制御装置は、
前記周囲物体検出装置により検出された物体である周囲物体に対して、前記作業具との接触の可否を設定し、
前記周囲物体のうち接触可に設定された周囲物体については、前記作業具の接触を許容しつつ前記戻り動作を行うように、前記旋回体及び前記作業装置を動作させる
ことを特徴とする作業機械。
前記旋回体に対して上下方向に回動可能に取り付けられ、作業具を有する多関節型の作業装置と、
前記旋回体の周囲に存在する地形を含む物体を検出する周囲物体検出装置と、
前記旋回体及び前記作業装置を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記作業装置が掘削対象の掘削を開始する位置である掘削開始位置に向かって前記作業具を移動させる戻り動作の制御を行うように構成された作業機械において、
前記制御装置は、
前記周囲物体検出装置により検出された物体である周囲物体に対して、前記作業具との接触の可否を設定し、
前記周囲物体のうち接触可に設定された周囲物体については、前記作業具の接触を許容しつつ前記戻り動作を行うように、前記旋回体及び前記作業装置を動作させる
ことを特徴とする作業機械。
【請求項2】
請求項１に記載の作業機械において、
前記制御装置は、
前記周囲物体に対して前記作業具との接触の可否の条件を示す接触特性を設定し、
前記作業具の前記周囲物体に対する接触の有無が前記接触特性を満たしつつ前記作業具が前記掘削開始位置に近づくような前記旋回体及び前記作業装置の制御入力を演算し、
当該演算された制御入力に基づき前記旋回体及び前記作業装置を動作させる
ことを特徴とする作業機械。
前記制御装置は、
前記周囲物体に対して前記作業具との接触の可否の条件を示す接触特性を設定し、
前記作業具の前記周囲物体に対する接触の有無が前記接触特性を満たしつつ前記作業具が前記掘削開始位置に近づくような前記旋回体及び前記作業装置の制御入力を演算し、
当該演算された制御入力に基づき前記旋回体及び前記作業装置を動作させる
ことを特徴とする作業機械。
【請求項3】
請求項２に記載の作業機械において、
前記制御装置は、
前記周囲物体の種類又は属性を判別し、
判別結果の前記周囲物体の種類又は属性に応じて前記接触特性を設定する
ことを特徴とする作業機械。
前記制御装置は、
前記周囲物体の種類又は属性を判別し、
判別結果の前記周囲物体の種類又は属性に応じて前記接触特性を設定する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項4】
請求項２に記載の作業機械において、
前記制御装置は、オペレータにより操作される入力装置からの指示に応じて前記接触特性を設定する
ことを特徴とする作業機械。
前記制御装置は、オペレータにより操作される入力装置からの指示に応じて前記接触特性を設定する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項5】
請求項２に記載の作業機械において、
前記接触特性は、前記旋回体の旋回動作に伴い前記作業具が移動する場合と前記旋回体の旋回動作が無く前記作業装置の動作に伴い前記作業具が移動する場合とで前記周囲物体に対する前記作業具との接触の可否の条件が異なるように設定されている
ことを特徴とする作業機械。
前記接触特性は、前記旋回体の旋回動作に伴い前記作業具が移動する場合と前記旋回体の旋回動作が無く前記作業装置の動作に伴い前記作業具が移動する場合とで前記周囲物体に対する前記作業具との接触の可否の条件が異なるように設定されている
ことを特徴とする作業機械。
【請求項6】
請求項２に記載の作業機械において、
前記接触特性は、前記周囲物体に対する前記作業具の全体との接触の可否の条件を示すものである
ことを特徴とする作業機械。
前記接触特性は、前記周囲物体に対する前記作業具の全体との接触の可否の条件を示すものである
ことを特徴とする作業機械。
【請求項7】
請求項２に記載の作業機械において、
前記接触特性は、前記周囲物体に対する前記作業具の第１部分との接触の可否の条件と、前記周囲物体に対する前記作業具の前記第１部分とは異なる第２部分との接触の可否の条件とが異なるように設定されている
ことを特徴とする作業機械。
前記接触特性は、前記周囲物体に対する前記作業具の第１部分との接触の可否の条件と、前記周囲物体に対する前記作業具の前記第１部分とは異なる第２部分との接触の可否の条件とが異なるように設定されている
ことを特徴とする作業機械。
【請求項8】
請求項２に記載の作業機械において、
前記制御装置は、前記周囲物体が前記旋回体の周囲に存在する地形である周囲地形の場合、
前記周囲物体検出装置の検出情報を基に得られる前記周囲地形の作業開始前の形状と掘削作業中の形状とを比較し、
前記周囲地形の作業開始前の形状に対する掘削作業中の形状の変化分の領域に対して、前記作業具との接触を許容する接触特性を設定する
ことを特徴とする作業機械。
前記制御装置は、前記周囲物体が前記旋回体の周囲に存在する地形である周囲地形の場合、
前記周囲物体検出装置の検出情報を基に得られる前記周囲地形の作業開始前の形状と掘削作業中の形状とを比較し、
前記周囲地形の作業開始前の形状に対する掘削作業中の形状の変化分の領域に対して、前記作業具との接触を許容する接触特性を設定する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項9】
請求項２に記載の作業機械において、
前記制御装置は、
作業現場の地質情報を取得し又は予め記憶し、
前記周囲物体が前記旋回体の周囲に存在する地形である周囲地形の場合には、前記周囲地形に対して前記地質情報に応じて前記接触特性を設定する
ことを特徴とする作業機械。
前記制御装置は、
作業現場の地質情報を取得し又は予め記憶し、
前記周囲物体が前記旋回体の周囲に存在する地形である周囲地形の場合には、前記周囲地形に対して前記地質情報に応じて前記接触特性を設定する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項10】
請求項２に記載の作業機械において、
前記制御装置は、
被積込機械の走行経路の情報を含む作業現場の設計情報を取得し又は予め記憶し、
前記周囲物体が前記設計情報に含まれる前記走行経路に対応する地形である場合には、前記周囲物体に対して前記作業具との接触を許容しない接触特性を設定する
ことを特徴とする作業機械。
前記制御装置は、
被積込機械の走行経路の情報を含む作業現場の設計情報を取得し又は予め記憶し、
前記周囲物体が前記設計情報に含まれる前記走行経路に対応する地形である場合には、前記周囲物体に対して前記作業具との接触を許容しない接触特性を設定する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項11】
請求項２に記載の作業機械において、
前記制御装置は、モデル予測制御の評価関数を用いて前記制御入力の演算を行うように構成され、
前記制御装置は、
前記周囲物体検出装置の検出情報に基づき前記周囲物体の位置を演算し、
演算結果の前記周囲物体の位置に基づき設定した侵入禁止領域に前記作業具が侵入する条件の場合に値が増加するペナルティ関数と前記接触特性に応じて設定した重みとの積で表されたペナルティコストを含むように前記評価関数を設定する
ことを特徴とする作業機械。
前記制御装置は、モデル予測制御の評価関数を用いて前記制御入力の演算を行うように構成され、
前記制御装置は、
前記周囲物体検出装置の検出情報に基づき前記周囲物体の位置を演算し、
演算結果の前記周囲物体の位置に基づき設定した侵入禁止領域に前記作業具が侵入する条件の場合に値が増加するペナルティ関数と前記接触特性に応じて設定した重みとの積で表されたペナルティコストを含むように前記評価関数を設定する
ことを特徴とする作業機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、作業を行う多関節型の作業装置と当該作業装置が取り付けられた旋回可能な旋回体とを備えた作業機械に関する。
【背景技術】
【0002】
油圧ショベルなどの作業機械には、旋回可能な旋回体に多関節型の作業装置が取り付けられているものがある。作業装置は、例えば、旋回体に対して上下方向に回動可能に取り付けられたブームと、ブームに回動可能に取り付けられたアームと、アームに回動可能に取り付けられた作業具としてのバケットとで構成されている。
【0003】
このような構成の作業機械は、例えば、作業装置により土砂を掘削する掘削動作、掘削した土砂等の掘削物をダンプトラック等の被積込機械の荷台の上方まで運搬する運搬動作、掘削物を被積込機械の荷台に放出する放土動作、放土後のバケットを掘削開始位置まで移動させる戻り動作を順に繰り返すことによって土砂の掘削積込作業を行う。このような掘削積込作業を行うとき、作業機械の周囲には、掘削対象近傍の土地や被積込機械などの物体が存在する。そのため、掘削積込作業では、バケットを掘削開始位置まで移動させる戻り動作のとき、周囲の物体に対するバケットの接触を考慮する必要がある。
【0004】
作業機械の周囲に存在する物体に対する作業具の接触を考慮した作業具の移動方法として、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１に記載の経路設定システムは、作業機械のアタッチメント（バケット）の目標経路を設定するものである。当該経路設定システムは、目標経路の開始点と終了点の間に障害物の特定部位があると判定した場合には、アタッチメントが障害物を回避する回避動作を行う回避経路を設定する一方、障害物の特定部位がないと判定した場合には、アタッチメントが回避動作を行わない非回避経路を設定するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０２２－７１６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１に記載の技術を上述の作業機械の戻り動作に対して適用する場合を考える。特許文献１に記載の技術においては、バケット（アタッチメント）の移動の際にバケットに接触する可能性のあるものを障害物とみなしている。したがって、バケットの戻り動作の際にバケットの物体との接触による損傷を防止することはできる。しかし、山形状の土砂山の頂上なども障害物として見なしている。このため、戻り動作における目標経路の終了点となる掘削開始位置の近傍（例えば直上）に土砂山の頂上（障害物の特定部位）があると、土砂山の頂上を回避する回避経路が設定されるので、当該回避経路上をバケットが移動することになる。その結果、作業具であるバケットが掘削開始位置に到達するまでに時間を要し、作業効率が低下することが考えられる。戻り動作における作業効率の観点からは、バケットに接触する可能性のあるものを全て障害物とみなすことを見直す必要がある。例えば、バケットが土砂山に接触しても、当該接触によるバケットの損傷が発生する可能性が極めて低いからである。
【0007】
本発明は、上記の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、掘削位置までの到達時間の短縮と作業具の周囲物体との接触による損傷の可能性の低減とを両立させた戻り動作を行うことができる作業機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいる。その一例を挙げるならば、旋回可能な旋回体と、前記旋回体に対して上下方向に回動可能に取り付けられ、作業具を有する多関節型の作業装置と、前記旋回体の周囲に存在する地形を含む物体を検出する周囲物体検出装置と、前記旋回体及び前記作業装置を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記作業装置が掘削対象の掘削を開始する位置である掘削開始位置に向かって前記作業具を移動させる戻り動作の制御を行うように構成された作業機械において、前記制御装置は、前記周囲物体検出装置により検出された物体である周囲物体に対して、前記作業具との接触の可否を設定し、前記周囲物体のうち接触可に設定された周囲物体については、前記作業具の接触を許容しつつ前記戻り動作を行うように、前記旋回体及び前記作業装置を動作させることを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明の一例によれば、接触可に設定された周囲物体と作業具との接触を許容する戻り動作は、当該周囲物体との接触を回避する戻り動作の場合よりも、掘削位置までの経路を短くすることが可能となる。この場合、周囲物体に対する作業具との接触の可否を作業具の損傷可能性に応じて設定することで、作業具の損傷可能性を低減することができる。すなわち、掘削位置までの到達時間の短縮と作業具の周囲物体との接触による損傷の可能性の低減とを両立させた戻り動作を行うことができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の第１の実施形態に係る作業機械としての油圧ショベル及び当該油圧ショベルの積込作業の積込先である被積込機械としてのダンプトラックを示す外観図である。
【図2】第１の実施形態に係る作業機械における油圧システム及び当該油圧システムの制御システムを示す構成図である。
【図4】第１の実施形態に係る作業機械に設定された基準座標系のX－Ｚ軸の平面と共に油圧ショベルの姿勢を規定する情報を示す説明図である。
【図5】第１の実施形態に係る作業機械に設定された基準座標系のＸ－Ｙ軸の平面と共に油圧ショベルの姿勢を規定する情報を示す説明図である。
【図12】第１の実施形態に係る作業機械の戻り動作においてバケットと接触する周囲地形（周囲物体）が存在しない場合のバケット経路を示す説明図である。
【図13】戻り動作においてバケットと接触する可能性がある周囲地形（周囲物体）が存在する場合のバケット経路の一例を示す説明図である。
【図14】第１の実施形態に係る作業機械の戻り動作において接触禁止の接触特性が設定された周囲地形（周囲物体）が存在する場合のバケット経路を示す説明図である。
【図15】第１の実施形態に係る作業機械の戻り動作において接触可能な接触特性が設定された周囲地形（周囲物体）が存在する場合のバケット経路を示す説明図である。
【図16】第１の実施形態に係る作業機械の戻り動作において被積込機械への放土動作終了時点からのバケット経路を示す説明図である。
【図17】本発明の第２の実施形態に係る作業機械における制御装置の機能を示すブロック図である。
【図18】掘削対象が鉱物を含む場合であると共に戻り動作においてバケットと接触する可能性がある周囲地形（周囲物体）が存在する場合を示す説明図である。
【図19】本発明の第３の実施形態に係る作業機械における制御装置の機能を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の作業機械の実施の形態について図面を用いて説明する。本実施の形態においては、作業機械の一例として油圧ショベルを例に挙げて説明する。
【0012】
［第１の実施形態］
まず、第１の実施形態に係る作業機械としての油圧ショベルの構成について図１を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る作業機械としての油圧ショベル及び当該油圧ショベルの積込作業の積込先である被積込機械としてのダンプトラックを示す外観図である。ここでは、油圧ショベルの運転席に着座したオペレータから見た方向を用いて説明する。
まず、第１の実施形態に係る作業機械としての油圧ショベルの構成について図１を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る作業機械としての油圧ショベル及び当該油圧ショベルの積込作業の積込先である被積込機械としてのダンプトラックを示す外観図である。ここでは、油圧ショベルの運転席に着座したオペレータから見た方向を用いて説明する。
【0013】
図１において、作業機械としての油圧ショベル１は、被積込機械１００に対して対象物を積込する積込機の一種である。被積込機械１００は、例えば、ダンプトラックをはじめとする運搬車両などであり、トレイ（荷台）１０１を備えている。油圧ショベル１は、掘削積込作業を行うものであり、地面等の掘削対象面を掘削する掘削動作、掘削した土砂等の掘削物（積込の対象物）を被積込機械１００のトレイ１０１上まで運搬する運搬動作、掘削物をトレイ１０１へ放出する放土動作、次の掘削を行うための戻り動作の一連の動作を繰り返す。
【0014】
油圧ショベル１は、機体３と、機体３に対して上下方向に回動可能に取り付けられた多関節型のフロント作業装置２とで構成されている。機体３は、自走可能な下部走行体４と、下部走行体４上に旋回装置６を介して旋回可能に搭載された上部旋回体５とで構成されている。
【0015】
フロント作業装置２は、複数の被駆動部材を上下方向又は前後方向に回動可能に連結して構成されたものである。複数の被駆動部材は、例えば、ブーム８、アーム９、掘削作業用の作業具としてのバケット１０とで構成されている。ブーム８は、上部旋回体５の前部にブームピン８ａ（後述の図４参照）を介して上下方向に回動可能に連結されている。アーム９は、ブーム８の先端部にアームピン９ａを介して前後方向に回動可能に連結されている。バケット１０は、フロント作業装置２の先端部に位置するものであり、アーム９の先端部にバケットピン１０ａ及びバケットリンク１０ｂを介して上下方向又は前後方向に回動可能に連結されている。ブーム８、アーム９、バケット１０はそれぞれ、油圧アクチュエータであるブームシリンダ１１、アームシリンダ１２、バケットシリンダ１３の伸縮によって回動駆動される。
【0016】
下部走行体４は、例えば、クローラ式の走行装置１５を備えている。走行装置１５は、油圧アクチュエータである左走行油圧モータ１６ａ及び右走行油圧モータ１６ｂ（後述の図２参照）によって駆動する。なお、左走行油圧モータ１６ａ及び右走行油圧モータ１６ｂを総称して走行油圧モータ１６と称することもある。
【0017】
上部旋回体５は、例えば、油圧アクチュエータである旋回装置６の旋回油圧モータ７によって下部走行体４に対して旋回駆動されるように構成されている。上部旋回体５は、オペレータが搭乗する運転室１８と、各種機器を収容する機械室１９とを備えている。運転室１８には、複数の油圧アクチュエータ７、１１、１２、１３、１６を操作するための操作装置５０（後述の図２参照）が配設されている。操作装置５０の構成の詳細は後述する。機械室１９には、後述の油圧システム３０（後述の図２参照）を構成する各種機器、例えば、原動機３１や油圧ポンプ３２などが配置されている。
【0018】
旋回装置６及び上部旋回体５にはそれぞれ、下部走行体４に対する上部旋回体５の旋回角度を検出する旋回角度センサ２１及び上部旋回体５の旋回角速度を検出する旋回角速度センサ２２（共に後述の図２参照）が取り付けられている。旋回角速度センサ２２は、例えば、慣性計測装置（Inertial Measurement Unit：ＩＭＵ）で構成されており、水平面等の基準面に対する上部旋回体５（機体３）のピッチ角度やロール角度を検出可能である。
【0019】
フロント作業装置２のブーム８、アーム９、バケット１０にはそれぞれ、角度センサが取り付けられている。具体的には、ブームピン８ａ（後述の図４参照）には、上部旋回体５に対するブーム８の回動角度（ブーム回動角度）を検出するブーム角度センサ２３（後述の図２参照）が取り付けられている。アームピン９ａには、ブーム８に対するアーム９の回動角度（アーム回動角度）を検出するアーム角度センサ２４（後述の図２参照）が取り付けられている。バケットリンク１０ｂには、アーム９に対するバケット１０の回動角度（バケット回動角度）を検出するバケット角度センサ２５（後述の図２参照）が取り付けられている。
【0020】
ここで、旋回角度センサ２１と旋回角速度センサ２２とブーム角度センサ２３とアーム角度センサ２４とバケット角度センサ２５は、上部旋回体５の旋回角度及びフロント作業装置２の各回動角度を検出する姿勢検出装置２０（後述の図２参照）を構成する。姿勢検出装置２０を構成する各センサ２１、２２、２３、２４、２５は検出情報を後述の制御装置６０へ出力する。
【0021】
なお、ブーム８、アーム９、バケット１０の各回動角度は、水平面等の基準面に対するブーム８、アーム９及びバケット１０の各角度を慣性計測装置（ＩＭＵ）によって検出し、当該慣性計測装置の検出値を各回動角度に換算することによって取得することが可能である。また、ブーム８、アーム９及びバケット１０の各回動角度は、ブームシリンダ１１、アームシリンダ１２及びバケットシリンダ１３の各ストロークをストロークセンサにより検出し、当該ストロークセンサの検出値を各回動角度に換算することによって取得することも可能である。
【0022】
上部旋回体５（例えば、運転室１８）には、油圧ショベル１の周囲に存在する物体（以下、周囲物体と称することがある）の情報を検出する周囲物体検出装置２６が取り付けられている。周囲物体検出装置２６は、例えば、油圧ショベル１の積込作業の対象である被積込機械１００や他の作業機械又は人などを検出可能である。また、本実施の形態においては、周囲物体検出装置２６が検出する周囲物体は、油圧ショベル１の周囲に存在する地形（以下、周囲地形と称することがある）を含むものであり、例えば、掘削対象の土地や掘削対象近傍の土地などの地形などがある。周囲物体検出装置２６は、周囲物体の位置や形状に関する情報を検出可能なものであり、例えば、ステレオカメラやＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）などで構成することが可能である。なお、周囲物体検出装置２６は、周囲物体を検出可能な複数の装置によって構成することも可能である。
【0023】
次に、第１の実施形態に係る作業機械における油圧システム及び制御システムの構成について図２を用いて説明する。図２は第１の実施形態に係る作業機械における油圧システム及び当該油圧システムの制御システムを示す構成図である。
【0024】
図２において、油圧ショベル１は、フロント作業装置２、下部走行体４、上部旋回体５（共に図１参照）を油圧によって駆動させる油圧システム３０を備えている。油圧システム３０は、エンジン又は電動機である原動機３１と、原動機３１により駆動される油圧ポンプ３２と、油圧ポンプ３２から供給される圧油によって駆動する複数の油圧アクチュエータとを備えている。油圧ポンプ３２は、例えば、可変容量型のポンプである。複数の油圧アクチュエータは、旋回油圧モータ７、ブームシリンダ１１、アームシリンダ１２、バケットシリンダ１３、左走行油圧モータ１６ａ、右走行油圧モータ１６ｂを含んでいる。
【0025】
各油圧アクチュエータ７、１１、１２、１３、１６ａ、１６ｂは、流量制御弁３３を介して油圧ポンプ３２に接続されている。流量制御弁３３は、油圧ポンプ３２から各油圧アクチュエータ７、１１、１２、１３、１６ａ、１６ｂに供給される圧油の流量及び方向を制御するものであり、例えば、各油圧アクチュエータ７、１１、１２、１３、１６ａ、１６ｂに対応するスプール弁の集合体である。流量制御弁３３は、入力されたパイロット圧に応じて駆動するものであり、パイロットライン３６を介してパイロット油圧源であるパイロットポンプ３５に接続されている。パイロットポンプ３５は、例えば、原動機３１によって駆動される。
【0026】
パイロットライン３６上には、流量制御弁３３の各油圧アクチュエータ７、１１、１２、１３、１６ａ、１６ｂに対応するスプール弁に入力するパイロット圧を生成する電磁比例弁４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂ、４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂ、４６ａ、４６ｂが設けられている。各電磁比例弁４１ａ、４１ｂ～４６ａ、４６ｂは、後述の制御装置６０からの駆動指令に応じたパイロット圧を生成する。なお、電磁比例弁４１ａ、４１ｂは、旋回油圧モータ７に対応するスプール弁に入力するパイロット圧を生成するものである。電磁比例弁４２ａ、４２ｂは、アームシリンダ１２に対応するスプール弁に入力するパイロット圧を生成するものである。電磁比例弁４３ａ、４３ｂは、ブームシリンダ１１に対応するスプール弁に入力するパイロット圧を生成するものである。電磁比例弁４４ａ、４４ｂは、バケットシリンダ１３に対応するスプール弁に入力するパイロット圧を生成するものである。電磁比例弁４５ａ、４５ｂは、左走行油圧モータ１６ａに対応するスプール弁に入力するパイロット圧を生成するものである。電磁比例弁４６ａ、４６ｂは、右走行油圧モータ１６ｂに対応するスプール弁に入力するパイロット圧を生成するものである。
【0027】
油圧システム３０は、油圧ショベル１のオペレータによる操作装置５０の操作に応じて制御装置６０によって制御されるように構成されている。
【0028】
操作装置５０は、フロント作業装置２、下部走行体４、上部旋回体５（共に図１参照）の動作を指示するものである。操作装置５０は、例えば、旋回油圧モータ７及びアームシリンダ１２を操作するための左操作レバー５１と、ブームシリンダ１１及びバケットシリンダ１３を操作するための右操作レバー５２と、左走行油圧モータ１６ａを操作するための左走行操作レバー５３と、右走行油圧モータ１６ｂを操作するための右走行操作レバー５４とを備えている。左操作レバー５１や右操作レバー５２は、例えば、油圧ショベル１の掘削積込作業の際に行われる戻り動作の実行を指示する操作スイッチ（図示せず）を有する構成も可能である。
【0029】
操作装置５０は、例えば、電気式の操作レバー装置であり、操作レバーの操作情報として操作方向（傾倒方向）及び操作量（傾倒量）を検出する操作情報検出装置を有している。操作情報検出装置は、例えば、左操作レバー５１の操作を検出する第１操作検出器５１ａ、５１ｂと、右操作レバー５２の操作を検出する第２操作検出器５２ａ、５２ｂと、左走行操作レバー５３の操作を検出する第３操作検出器５３ａと、右走行操作レバー５４の操作を検出する第４操作検出器５４ａとを備えている。各操作検出器５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５４ａは、例えば、ロータリエンコーダやポテンショメータで構成されている。操作装置５０は、各操作検出器５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５４ａによって検出された操作情報を制御装置６０へ出力する。
【0030】
制御装置６０には、操作装置５０の各操作検出器５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５４ａが電気的に接続されており、各操作検出器５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５４ａが検出した操作装置５０の操作情報が入力される。制御装置６０には、姿勢検出装置２０を構成する各センサ２１、２２、２３、２４、２５が電気的に接続されており、姿勢検出装置２０の各センサ２１～２５の検出情報（油圧ショベル１の姿勢情報）が入力される。また、制御装置６０には、周囲物体検出装置２６が電気的又は通信可能に接続されており、周囲物体検出装置２６の検出情報が入力される。
【0031】
さらに、制御装置６０には、掘削開始位置設定装置２７が電気的又は通信可能に接続されている。掘削開始位置設定装置２７は、フロント作業装置２が掘削対象の掘削を開始する位置である掘削開始位置を設定するものであり、例えば、油圧ショベル１のオペレータの操作に基づいて掘削開始位置を設定するような構成が可能である。具体的には、掘削開始位置設定装置２７は、タッチパネルを含む入力装置２８（後述の図３の破線の構成を参照）を兼ねた表示装置に周囲物体検出装置２６が撮影した周囲地形を表示させ、当該表示装置の表示画面に対するオペレータのタッチ操作又はボタン操作などによって掘削開始位置の設定を指示するような構成が可能である。
【0032】
制御装置６０は、操作装置５０からの操作情報に応じた駆動指令を油圧システム３０の電磁比例弁４１ａ、４１ｂ～４６ａ、４６ｂへ出力することで、各油圧アクチュエータ７、１１、１２、１３、１６ａ、１６ｂの駆動を制御するものである。これにより、上部旋回体５の旋回動作、フロント作業装置２の回動動作、下部走行体４の走行動作などの各種動作が実行可能である。
【0033】
制御装置６０は、例えば、左操作レバー５１の操作情報に応じた駆動指令を電磁比例弁４１ａ、４１ｂへ出力することで、旋回油圧モータ７が圧油の供給により回転して上部旋回体５を旋回動作させる。左操作レバー５１の操作情報に応じた駆動指令を電磁比例弁４２ａ、４２ｂへ出力することで、アームシリンダ１２が圧油の供給により伸縮してアーム９を回動動作させる。また、右操作レバー５２の操作情報に応じた駆動指令を電磁比例弁４３ａ、４３ｂへ出力することで、ブームシリンダ１１が圧油の供給により伸縮してブーム８を回動動作させる。右操作レバー５２の操作情報に応じた駆動指令を電磁比例弁４４ａ、４４ｂへ出力することで、バケットシリンダ１３が圧油の供給により伸縮してバケット１０を回動動作させる。左走行操作レバー５３及び右走行操作レバー５４の操作情報に応じた駆動指令を電磁比例弁４５ａ、４５ｂ、４６ａ、４６ｂへ出力することで、左走行油圧モータ１６ａ及び右走行油圧モータ１６ｂが圧油の供給により回転して下部走行体４を走行動作させる。
【0034】
なお、制御装置６０は、操作装置５０の操作が無い場合でも、自動制御又は半自動制御の制御指令を電磁比例弁４１ａ、４１ｂ～４６ａ、４６ｂへ出力することで、油圧アクチュエータ７、１１、１２、１３、１６ａ、１６ｂを駆動させることが可能である。
【0035】
制御装置６０は、ハード構成として例えば、外部機器との情報の授受を行うインターフェース６１（以下、Ｉ／Ｆと称することがある）と、ＲＡＭやＲＯＭ等からなる内部記憶装置６２と、ＣＰＵやＭＰＵ等からなる処理装置６３とを備えている。Ｉ／Ｆ６１は、例えば、操作装置５０と姿勢検出装置２０と周囲物体検出装置２６からの情報を取り込むと共に、電磁比例弁４１ａ、４１ｂ～４６ａ、４６ｂに対して制御信号を出力するように構成されている。内部記憶装置６２には、本実施の形態における掘削積込作業の際の油圧ショベ１ルの戻り動作を制御するために必要なプログラムや各種情報が予め記憶されている。制御装置６０は、各種情報が記憶されている外部記憶装置８０にも接続されている。処理装置６３は、内部記憶装置６２や外部記憶装置８０からプログラムや各種情報を適宜読み込むと共に、Ｉ／Ｆ６１を介して各種情報を適宜取り込み、当該プログラムに従って処理を実行することで当該戻り動作の制御を行う各種機能を実現する。本実施の形態の制御装置６０の機能部の詳細は後述する。
【0036】
次に、第１の実施形態に係る作業機械の制御装置の機能構成について図３～図６を用いて説明する。図３は図２に示す第１の実施形態に係る作業機械の制御装置の機能を示すブロック図である。図４は第１の実施形態に係る作業機械に設定された基準座標系のＸ－Ｚ軸の平面と共に油圧ショベルの姿勢を規定する情報を示す説明図である。図５は第１の実施形態に係る作業機械に設定された基準座標系のＸ－Ｙ軸の平面と共に油圧ショベルの姿勢を規定する情報を示す説明図である。図６は図３に示す第１の実施形態に係る作業機械の制御装置における周囲物体特性設定部による接触特性の設定方法の一例を示す説明図である。
【0037】
本実施の形態の制御装置６０は、姿勢検出装置２０の検出情報（姿勢情報）、周囲物体検出装置２６の検出情報、掘削開始位置設定装置２７からの指示を基にフロント作業装置２の各構成部材の動作及び上部旋回体５の動作を制御するための制御入力を演算することで、油圧ショベル１の掘削積込作業の際に行われる戻り動作の制御を実行するものである。制御装置６０は、油圧ショベル１の当該戻り動作の制御を行う機能部として、姿勢演算部７１、周囲物体位置演算部７２、周囲物体特性設定部７３、評価関数設定部７４、最適化演算部７５、アクチュエータ制御部７６を有している。
【0038】
制御装置６０においては、各機能部７１～７６の演算するための前提として、フロント作業装置２や上部旋回体５などの油圧ショベル１の構成要素の位置や姿勢を特定する基準座標系が予め設定されている。本実施の形態の基準座標系は、例えば図４及び図５に示すように、上部旋回体５の旋回軸線５ａと地面Ｇとの交点を原点Ｏとする右手座標系として定義されている。また、この基準座標系では、図４に示すように、下部走行体４の前進方向がＸ軸の正方向として、旋回軸線５ａの上方に延びる方向がＺ軸の正方向として定義されている。また、図５に示すように、Ｘ軸及びＺ軸の両軸に直交し、下部走行体４の前進方向（Ｘ軸の正方向）を向いたときの左方向がＹ軸の正方向として定義されている。
【0039】
また、この基準座標系では、上部旋回体５の旋回角度は、フロント作業装置２がＸ軸と平行となる状態が０度として定義されている。上部旋回体５の旋回角度が０度の場合、フロント作業装置２の動作平面は基準座標系のＸＺ平面に平行になる。さらに、ブーム８の上げ動作方向はＺ軸の正方向であり、アーム９及びバケット１０のダンプ方向もＸ軸の正方向である。
【0040】
姿勢演算部７１は、姿勢検出装置２０の検出情報を基に、フロント作業装置２や上部旋回体５などの油圧ショベル１の構成要素の基準座標系における姿勢を演算するものである。具体的には、姿勢演算部７１は、ブーム角度センサ２３の検出情報に基づき、Ｘ軸に対するブーム８の回動角度θＢｍ（図４）を演算する。また、アーム角度センサ２４の検出情報に基づき、ブーム８に対するアーム９の回動角度θＡｍ（図４）を演算する。また、バケット角度センサ２５の検出情報に基づき、アーム９に対するバケット１０の回動角度θＢｋ（図４）を演算する。姿勢演算部７１は、旋回角度センサ２１の検出情報に基づき、Ｘ軸（下部走行体４）に対する上部旋回体５の旋回角度θＳｗｇ（図５）を演算する。
【0041】
姿勢演算部７１は、演算結果のフロント作業装置２の各構成要素８、９、１０の回動角度θＢｍ、θＡｍ、θＢｋ及び上部旋回体５の旋回角度θＳｗｇと、フロント作業装置２の各構成要素（ブーム８、アーム９、バケット１０）の寸法ＬＢｍ、ＬＡｍ、ＬＢｋ（図４）とに基づき、ブーム８、アーム９、バケット１０のＸＹ平面における位置とＺ軸における位置（高さ）を演算する。なお、ブーム８の寸法ＬＢｍはブームピン８ａからアームピン９ａまでの長さ、アーム９の寸法ＬＡｍはアームピン９ａからバケットピン１０ａまでの長さ、バケット１０の寸法ＬＢｋはバケットピン１０ａからバケット１０の先端部までの長さである。ブームピン８ａは、例えば、旋回角度を０度としたとき、旋回軸線５ａからＸ軸の正方向にＬｏｘだけオフセットしている。各寸法ＬＢｍ、ＬＡｍ、ＬＢｋやブームピン８ａのオフセットの情報は、例えば、内部記憶装置６２（図２参照）に予め記憶されている。
【0042】
周囲物体位置演算部７２は、周囲物体検出装置２６の検出情報に基づき、周囲物体検出装置２６が検出した周囲物体の基準座標系における位置を演算するものである。周囲物体位置演算部７２の位置演算の対象は、周囲物体検出装置２６によって検出される被積込機械１００及び掘削対象や掘削対象近傍の周囲地形などである。
【0043】
周囲物体特性設定部７３は、周囲物体検出装置２６が検出した周囲物体に対して、フロント作業装置２との接触を許容するか又は接触を許容しないかの可否の条件（条件付きで許容する場合を含む）を示す接触特性を設定するものである。周囲物体特性設定部７３は、例えば、周囲物体検出装置２６によって検出された周囲物体に対して、オペレータにより操作されるタッチパネル等の入力装置２８（図３中、破線で図示）としてのＨＭＩ（Human Machine Interface）からの指示に応じて上述の接触特性を設定するように構成することが可能である。また、周囲物体特性設定部７３は、周囲物体検出装置２６によって検出された周囲物体の種類又は属性を周囲物体検出装置２６の検出情報に基づいて判別し、判別結果の周囲物体の種類又は属性に応じて接触特性を自ら設定するように構成することも可能である。具体的には、周囲物体特性設定部７３は、例えば、周囲物体検出装置２６の検出情報から得られる周囲物体の形状などから当該周囲物体の種類及びその属性を判別する。周囲物体の種類としては、例えば、被積込機械１００などの油圧ショベル１以外の機械、人、作業現場の周囲地形、被積込機械１００の走行経路の地形などが予め分類されている。周囲地形の土砂は、所定よりも柔らかいもの、鉱物の周囲に位置するものなどの属性により分類することも可能である。また、属性が不明な土砂として分類することも可能である。
【0044】
周囲物体特性設定部７３は、例えば、周囲物体検出装置２６により検出された周囲物体の種類及び属性に応じて次の表１のように接触特性を設定することが可能である。
【0045】
【表1】
【0046】
表１に示すように、周囲物体が油圧ショベル１以外の他の機械（被積込機械１００を含む）や人の場合には、バケット１０との接触を許容しないことを示す接触禁止（表１中、×）の接触特性を設定する。これは、機械や人の安全性を確保するためである。また、周囲物体が被積込機械１００の走行経路の地形（周囲地形）の場合でも、同様に、接触禁止の接触特性を設定する。これは、被積込機械１００の走行経路の地形がバケット１０との接触により荒らされることで、被積込機械１００の走行の快適性が損なわれることを回避するためである。
【0047】
また、周囲物体が掘削開始位置の近傍の土砂（周囲地形）の場合、例えば、上部旋回体５が旋回動作に伴うバケット１０の移動である第１条件下においてフロント作業装置２との接触を許容しないことを示す接触禁止の接触特性を設定する一方、上部旋回体５の旋回動作が無くフロント作業装置２のみの動作に伴うバケット１０の移動である第２条件下においてバケット１０との接触を許容することを示す接触許可の接触特性（表１中、〇）を設定する。ただし、この接触特性の設定は、当該土砂の硬さ（属性）が不明である場合に適用するものである。これは、上部旋回体５の旋回動作に伴い移動するバケット１０が属性（硬さ）の不明な土砂（周囲地形）との接触により損傷するリスクやバケット１０の先端部の偏摩耗を防止する観点から望ましい。
【0048】
また、周囲物体が掘削開始位置の近傍の土砂（周囲地形）であって当該土砂の周囲に鉱物が存在する場合には、属性（硬さ）が不明な土砂（周囲地形）の場合と同様に、第１条件下において接触禁止の接触特性を設定する一方、第２条件下において接触許可の接触特性を設定する。これは、上部旋回体５の旋回動作に伴い移動するバケット１０が鉱物との接触により変形することを防止するためである。
【0049】
一方、周囲物体が掘削開始位置の近傍の土砂（周囲地形）であって当該土砂が所定よりも柔らかい場合には、上述の第２条件下において接触許可の接触特性を設定すると共に、上部旋回体５が旋回動作中でも接触許可の接触特性を設定するか、又は、上部旋回体５の旋回速度が所定速度よりも低速の場合に限って接触許可の接触特性を設定する。これは、旋回動作又は低速の旋回動作に伴い移動するバケット１０が柔らかい土砂に接触したとしてもバケット１０に変形や損傷が発生しないと想定されるためであり、バケット１０の掘削開始位置への到達時間の短縮を優先させることを意図したものである。
【0050】
また、周囲物体特性設定部７３は、例えば図６に示すように、周囲物体検出装置２６の検出情報を基に得られる周囲地形の作業開始前の形状と掘削作業中の形状とを比較し、周囲地形の作業開始前の形状に対する掘削作業中の形状の変化分の領域に対して、バケット１０との接触を許容することを示す接触許可の接触特性を設定する構成も可能である。周囲地形の掘削作業中の形状のうち、周囲地形の作業開始前の形状に対する変化分の領域には、掘削作業により生じた土砂の形状が含まれていると想定される。掘削作業により生じた土砂に対してバケット１０が接触しても、バケット１０の損傷や消耗が生じることは考えにくい。そこで、本実施の形態においては、掘削作業により生じた土砂と想定される周囲地形に対しては、接触許可の接触特性を設定する。これにより、バケット１０の掘削開始位置への到達時間の短縮を優先させることが可能である。
【0051】
評価関数設定部７４と最適化演算部７５は、例えば、モデル予測制御（Model Predictive Control：ＭＰＣ）の枠組みを用いて油圧ショベル１の戻り動作の制御を行うための制御入力を演算するものである。モデル予測制御は、制御対象（油圧ショベル１）の動特性（例えば、運動方程式や伝達関数モデル）を用いて現時刻から有限時間先の制御対象の挙動を予測し、特定の評価関数を当該有限時間の区間において最小化するような制御入力を算出する方法である（モデル予測制御の詳細は、非線形最適制御入門、大塚敏之、コロナ社（２０１１）を参照）。
【0052】
評価関数設定部７４は、周囲物体位置演算部７２の演算結果である周囲物体の位置情報、周囲物体特性設定部７３により設定された周囲物体の接触特性、掘削開始位置設定装置２７からの指示に応じて設定する掘削開始位置（目標値）に基づき、最適化演算部７５が実行する最適化演算で用いる評価関数を設定するものである。最適化演算部７５は、評価関数設定部７４により設定された評価関数を現時刻から有限時間先までの予測時間区間において最小化する最適化演算を行うことで、フロント作業装置２及び上部旋回体５の制御入力を制御周期ごとに演算するものである。評価関数の最適化演算では、姿勢演算部７１の演算結果であるフロント作業装置２及び上部旋回体５の姿勢情報を現時刻の制御出力として用いて予測時間区間の評価関数の最適化演算を行うことで、予測時間区間における各時間ステップの制御入力を演算する。最適化演算部７５は、演算結果の予測時間区間の各時間ステップの制御入力のうちの最初の時間ステップの制御入力を戻り動作の制御に用いる現制御周期の制御入力として、アクチュエータ制御部７６へ出力する。なお、評価関数設定部７４により設定されて最適化演算部７５で用いられる評価関数の詳細については後述する。
【0053】
アクチュエータ制御部７６は、最適化演算部７５の演算結果であるフロント作業装置２及び上部旋回体５の制御入力を実現するための指令値に変換し、当該指令値に応じた制御信号を各電磁比例弁４１ａ、４１ｂ～４６ａ、４６ｂへ出力する。
【0054】
次に、制御装置で用いられる評価関数について図７～図１０を用いて説明する。図７は図３に示す第１の実施形態に係る作業機械の制御装置における評価関数設定部による侵入禁止領域の設定方法の一例を示す説明図である。図８は図７に示す侵入禁止領域を基準座標系において示した図である。図９Ａは図３に示す第１の実施形態に係る作業機械の制御装置における評価関数設定部により設定されるペナルティコストへの重み（ペナルティ関数の係数）の第１例を示す図である。図９Ｂは図３に示す第１の実施形態に係る作業機械の制御装置における評価関数設定部により設定されるペナルティコストへの重み（ペナルティ関数の係数）の第２例を示す図である。図１０は図３に示す第１の実施形態に係る作業機械の制御装置における評価関数の最適化演算で移動対象とするバケットの部位の一例を示す説明図である。
【0055】
評価関数設定部７４及び最適化演算部７５で用いるモデル予測制御では、評価関数の設定の前提として、制御対象である油圧ショベル１の動特性（数理モデル）が必要である。油圧ショベル１の戻り動作の動特性として、運動方程式を採用することが可能である。この場合、例えば、油圧ショベル１の上部旋回体５及びフロント作業装置２の３つの構成部材（ブーム８、アーム９、バケット１０）を剛体の４リンク系で模擬することができる。この剛体の４リンク系の運動方程式は、次の式（１）で表現することができる。
【0056】
【数1】
【0057】
なお、式（１）において、θ、ωはそれぞれ各リンクの角度、角速度（共に出力に相当）を示し、τは駆動トルク（制御入力に相当）を示している。また、θ、ω、τの下付き文字のＳｗｇ、Ｂｍ、Ａｍ、Ｂｋはそれぞれ、上部旋回体５、ブーム８、アーム９、バケット１０を示している。
【0058】
各リンクの動作は、油圧アクチュエータである旋回油圧モータ７、ブームシリンダ１１、アームシリンダ１２、バケットシリンダ１３の駆動によって実現される。そのため、駆動トルクτは、次の式（２）のように、油圧アクチュエータ７１１、１２、１３に作用する圧油の圧力ｐに応じた変換式が必要である。なお、式（１）及び式（２）の詳細な説明は、本発明の本質的なものではないので、省略する。
【0059】
【数2】
【0060】
また、油圧ショベル１の戻り動作の動特性（数理モデル）として、運動方程式に代えて、遅れ系の伝達関数を採用することも可能である。この場合、例えば、上部旋回体５及びフロント作業装置２の３つの構成部材（ブーム８、アーム９、バケット１０）の動作について速度指令に対する遅れ系として、次の式（３）で表現することが可能である。
【0061】
【数3】
【0062】
なお、式（３）におけるｙ、ｘはそれぞれ、速度の出力、速度の指令値（制御入力に相当）を示している。また、式（３）におけるｓ、ζ、ωｎはそれぞれ、ラプラス演算子、減衰比、固有角周波数を示している。なお、式（３）のｘと式（１）のｘは異なる変数であることに留意する。
【0063】
評価関数設定部７４は、上述の動特性を前提として、周囲物体位置演算部７２の演算結果及び周囲物体特性設定部７３により設定された周囲物体の接触特性に応じた条件を満たすような戻り動作を実現するための評価関数を設定する。戻り動作の終点位置（目標値）は、掘削開始位置設定装置２７により設定された掘削開始位置である。
【0064】
具体的には、評価関数設定部７４は、例えば、評価関数Ｊとして次の式（４）を設定する。なお、この評価関数Ｊは、上記式（１）の動特性（数理モデル）を採用した場合を例に挙げたものである。
【0065】
【数4】
【0066】
式（４）は、式（４ａ）と式（４ｂ）と式（４ｃ）とを用いて構成されている。式（４ａ）は終端コストφであり、式（４ｂ）はステージコストＬである。式（４ｃ）は、制約条件としてのペナルティコストＰである。なお、式（４ａ）、（４ｂ）、（４ｃ）のＫ（ｘ）は、上述の動特性の変数ｘをバケット１０の先端の位置に変換する関数である。また、式（４ａ）、（４ｂ）のｙｄは、油圧ショベル１の戻り動作の終点（目標値）であり、掘削開始位置設定装置２７により設定された掘削開始位置である。
【0067】
式（４ａ）及び式（４ｂ）は共に、時刻ｔにおけるバケット１０の先端位置を示すＫ（ｘ（ｔ））が掘削開始位置ｙｄに近いほど値が小さくなる関数であることが分かる。つまり、式（４ａ）と（４ｂ）によって、バケット１０の先端が掘削開始位置に近づく制御入力が生成される。
【0068】
本実施の形態のペナルティコストＰは、式（４ｃ）に示すように、ペナルティ関数Ｆと重みμpの積として定義されている。ペナルティ関数Ｆは、バケット１０の先端位置が後述の侵入禁止領域に侵入した時のみ大きな値を出力する一方、侵入禁止領域に侵入していない場合にはゼロを出力する関数である。重みμpは、周囲物体に対して設定された接触特性の接触禁止又は接触許可の条件に合致するように設定される関数である。
【0069】
侵入禁止領域は、周囲物体特性設定部７３によって設定された周囲物体の接触特性に応じて設定される。例えば、周囲物体に対して接触禁止の接触特性が設定されている場合、当該周囲物体の形状と一致するように又は当該周囲物体を取り囲むように侵入禁止領域を設定する。また、周囲物体に対して条件付きで接触許可の接触特性が設定されている場合、当該条件の範囲外のときに接触禁止の接触特性が設定されていることと同義であるので、当該周囲物体に対しても上述と同様な侵入禁止領域が設定される。一方、周囲物体に対して条件無しの接触許可の接触特性が設定される場合には、周囲物体に対応する侵入禁止領域を設定しない。
【0070】
例えば、図７の上図に示すように、掘削開始位置の周囲に土砂が存在する状況を想定する。この場合、掘削開始位置の近傍の土砂が周囲地形として検出される。掘削開始位置の近傍の土砂（周囲地形）に対しては、例えば表１で示したように、土砂の硬さ（属性）が不明である場合や周囲に鉱物が存在している場合、上部旋回体５が旋回動作中である条件下において接触禁止の接触特性が設定される。また、周囲地形が所定よりも柔らかい場合であっても、上部旋回体５が少なくとも所定速度以上の旋回動作中である条件下においてはバケット１０との接触が許容されていない。
【0071】
そこで、掘削開始位置の近傍の土砂（周囲地形）に対して、図７の下図に示すように、当該土砂を覆うように侵入禁止領域を設定する。侵入禁止領域は、例えば図８に示すように、周囲物体位置演算部７２の演算結果の周囲物体の位置情報に基づき基準座標系における３次元位置として定義することができる。侵入禁止領域が図８に示すように設定された場合、ペナルティ関数Ｆは、バケット１０の先端位置がＸ座標のｘｍｉｎからｘｍａｘまでの範囲、Ｙ座標のｙｍｉｎからｙｍａｘまでの範囲、かつ、Ｚ座標のｚｍｉｎからｚｍａｘまでの範囲にある場合、すなわち、バケット１０の先端位置が侵入禁止領域の範囲内にある場合のみ、大きな値を出力する。
【0072】
重みμpは、周囲物体に対して設定された接触特性に応じて決定されるものである。重みμpは、例えば、上部旋回体５の旋回速度ωＳｗｇの関数である。
【0073】
例えば、掘削開始位置の近傍の土砂（周囲地形）に対しては、前述したように、属性が不明な場合や周囲に鉱物が存在している場合には上部旋回体５が旋回動作中の条件下において接触禁止の接触特性が設定される。そこで、このような周囲地形の場合には、重みμpは、例えば、上部旋回体５の旋回速度ωＳｗｇがゼロのときにゼロとなる一方、上部旋回体５の旋回速度ωＳｗｇがゼロ以外のときにゼロよりも大きな値となるように設定される。このように重みμpを設定すると、バケット１０の先端が侵入禁止領域に存在することでペナルティ関数Ｆが大きな値になったとしても、上部旋回体５の旋回速度ωＳｗｇがゼロのとき、すなわち、フロント作業装置２のみが動作しているときに、重みμpが０になることで（式４ｃ）に示すペナルティコストＰが０となる。つまり、（式４ｃ）のペナルティコストＰは、条件付きの接触禁止の接触特性が反映された関数となっている。
【0074】
また、掘削開始位置の近傍の土砂（周囲地形）が所定よりも柔らかい場合には、上述したように、上部旋回体５が所定速度よりも低速の旋回動作中である条件下において接触許可の接触特性が設定される。換言すると、上部旋回体５が所定速度以上の旋回動作中である条件下では、バケット１０との接触が許容されていない。このような周囲地形の場合、重みμpは、例えば図９Ａに示すように、上部旋回体５の旋回速度ωＳｗｇが所定速度ω０よりも低速のときにゼロとなる一方、旋回速度ωＳｗｇが所定速度ω０以上のときにゼロよりも大きな値で一定となるように設定される。このように重みμpを設定すると、バケット１０の先端が侵入禁止領域に存在することでペナルティ関数Ｆが大きな値になったとしても、旋回速度ωＳｗｇが所定速度ω０よりも低速のとき、重みμpが０になることで（式４ｃ）に示すペナルティコストが０となる。つまり、（式４ｃ）のペナルティコストは、上部旋回体５が所定速度ω０以上の旋回動作中の条件下において接触禁止となる接触特性が反映された関数となる。なお、重みμpは、図９Ｂに示すように、上部旋回体５の旋回速度ωＳｗｇが所定速度ωＡ以下の低速のときにゼロとなる一方、旋回速度ωＳｗｇが所定の第１速度ωＡよりも大きくなるにつれて値が大きくなり、旋回速度ωＳｗｇが所定の第２速度ωＢ以上になると一定になるように設定することも可能である。
【0075】
（式４ｃ）のペナルティコストＰは、このように設定されたペナルティ関数Ｆと重みμpの積として定義される。このため、バケット１０の先端が侵入禁止領域に対して所定の条件下で侵入すると、ペナルティコストＰが大きな値のペナルティ関数Ｆとゼロでない値の重みμpとの積になるので、評価関数Ｊが大きな値となる。そのため、評価関数Ｊの最適化によってペナルティコストＰが大きな値となる解が除外される。すなわち、重みμpが図９Ａ又は図９Ｂに示すように設定されている場合、所定速度ω０又はωＢよりも高速な旋回中のバケット１０先端が侵入禁止領域へ侵入することを回避する経路で戻り動作が行われるような制御入力が算出される。一方、旋回動作が行われていない状態では、侵入禁止領域が考慮されない経路で戻り動作が行われるような制御入力が算出される。
【0076】
このように、評価関数Ｊは、バケット１０の先端位置を掘削開始位置ｙｄに近づける終端コストφ及びステージコストＬと、設定された接触特性に応じた条件において当該先端位置を侵入禁止領域から遠ざけるペナルティコストＰとで構成されている。
【0077】
また、上述の式（４）の評価関数Ｊを示す各項φ、Ｌ、ＰにおけるＫ（ｘ）は、バケット１０の先端位置を示すものとして説明した。しかし、Ｋ（ｘ）は、図１０に示すように、バケット１０の先端（頂点Ａ）だけではなく、バケット１０を包含するように設定した多角形の各頂点Ａ、Ｂ、Ｃを演算対象として設定する構成も可能である。この場合、バケット１０の先端（頂点Ａ）のみならず、バケット１０の底部（頂点Ｂや頂点Ｃ）も侵入禁止領域への侵入を回避する戻り動作の制御入力が演算されるので、接触禁止の接触特性が設定された周囲物体とバケット１０の接触を確実に回避することができる。
【0078】
また、評価関数ＪのうちペナルティコストＰの項において、バケット１０の先端位置を対象とした関数に加えて、バケット１０の幾何中心（図１０参照）を対象とした関数を追加する構成も可能である。具体的には、ペナルティコストＰを上記の式（４ｃ）と次の式（４ｄ）とを組み合わせる構成が可能である。
【0079】
【数5】
【0080】
式（４ｄ）中、Ｋｇ（ｘ）はバケット１０の幾何中心位置を、μｐｇはバケットの幾何中心位置に関するペナルティ関数Ｆに対する重みを示している。式（４ｄ）の重みμｐｇは、例えば、式（４ｃ）の重みμｐよりも大きくなるように設定することが可能である。また、上記の式（４ｃ）の重みμｐを図９Ａに示すように設定すると共に、式（４ｄ）のμｐｇを旋回速度ωＳｗｇの大きさに無関係に０より大きな値に設定することも可能である。これは、所定値ω０よりも低速の旋回動作中において、バケット１０の先端に対しては掘削開始位置付近の土砂（周囲地形）との接触（侵入禁止領域への侵入）を許容する一方、バケット１０の幾何中心に対しては掘削開始位置付近の土砂（周囲地形）との接触（侵入禁止領域への侵入）を許容しない条件を示している。式（４ｄ）のＫｇ（ｘ）及び重みμｐｇをバケット１０の幾何中心位置を対象とした例を示したが、バケット１０の幾何中心や先端以外の任意の部位を対象とする関数として設定することも可能である。
【0081】
次に、第１の実施形態に係る作業機械の制御装置における戻り動作の制御手順について図１１を用いて説明する。図１１は図３に示す第１の実施形態に係る作業機械の制御装置による戻り動作の制御手順の一例を示すフローチャートである。
【0082】
図１１において、制御装置６０（図３参照）は、例えば、操作装置５０などに設けられた戻り動作用の開始スイッチがオペレータにより操作入力されたとき、又は、掘削積込作業を自動で行う制御を実行している場合には放土動作を終了したとき、戻り動作の制御を開始する（スタート）。制御装置６０は、先ず、周囲物体検出装置２６からの周囲物体の検出情報および掘削開始位置設定装置２７からの指示である掘削開始位置の情報を取得する（ステップＳ１０）。
【0083】
次に、制御装置６０は、周囲物体検出装置２６から取得した周囲物体の検出情報に基づき、検出された周囲物体の位置を演算すると共に（ステップＳ２０）、検出された周囲物体に対する接触特性を設定する（ステップＳ３０）。なお、ステップＳ２０とＳ３０の処理については順序を問わない。
【0084】
具体的には、制御装置６０の周囲物体位置演算部７２が、周囲物体検出装置２６の検出情報に含まれる位置情報（例えば、周囲物体検出装置２６からの距離など）を基に、検出された周囲物体の３次元位置を演算する。また、制御装置６０の周囲物体特性設定部７３は、例えば、周囲物体検出装置２６の検出情報を基に得られる周囲物体の形状情報や予め内部記憶装置６２や外部記憶装置８０に記憶されている情報などから当該周囲物体の種類や属性を判別し、判別結果の種類や属性に応じた接触特性を当該周囲物体に対して設定する。周囲物体検出装置２６の検出情報が画像データである場合には、入力装置２８（図３中の破線で示す）を兼ねる表示装置に表示させた周囲物体検出装置２６の検出情報である画像に対してオペレータの操作により接触特性の設定を行うことも可能である。
【0085】
次いで、制御装置６０は、ステップＳ１０にて掘削開始位置設定装置２７から取得した掘削開始位置とステップＳ２０の処理結果である周囲物体の３次元位置とステップＳ３０にて設定した接触特性とに基づき、評価関数Ｊを設定する（ステップＳ４０）。具体的には、制御装置６０の評価関数設定部７４は、前述したように、バケット１０の特定部分を目標値としての掘削開始位置ｙｄに近づける終端コストφ及びステージコストＬと、バケット１０の特定部位を所定の条件下において侵入禁止領域から遠ざけるペナルティコストＰとで構成された評価関数Ｊを設定する。ペナルティコストＰにおける所定の条件は、周囲物体に対する接触特性に対応した重みとして規定されていると共に、侵入禁止領域が演算結果の周囲物体の位置に基づき規定されている。
【0086】
続いて、制御装置６０は、ステップＳ４０にて設定した評価関数を用いて制御入力を演算する（ステップＳ５０）。具体的には、制御装置６０の最適化演算部７５は、姿勢演算部７１の演算結果である上部旋回体５及びフロント作業装置２の姿勢情報を用いて現時点からの予測時間区間において評価関数設定部７４により設定された評価関数を最適化する最適化演算を行うことで上部旋回体５及びフロント作業装置２の制御入力を演算する。
【0087】
さらに、制御装置６０は、ステップＳ５０の演算結果である上部旋回体５及びフロント作業装置２の制御入力を制御指令に変換して電磁比例弁４１ａ、４１ｂ～４６ａ、４６ｂへ出力する（ステップＳ６０）。これにより、電磁比例弁４１ａ、４１ｂ～４６ａ、４６ｂが制御指令に応じて駆動するので、流量制御弁３３に入力されるパイロット圧が制御される。その結果、流量制御弁３３のストロークが制御されることで、演算結果の制御入力に応じて油圧アクチュエータ７、１１、１２、１３が駆動する。
【0088】
次いで、制御装置６０は、バケット１０の先端が掘削開始位置に到達したか否かを判定する（ステップＳ７０）。具体的には、姿勢検出装置２０から取得した姿勢情報を基に姿勢演算部７１が演算したバケット１０の先端位置が掘削開始位置に到達したか否かを判定する。バケット１０の先端が掘削開始位置に到達していないと判定した場合（Ｎｏの場合）には、ステップＳ５０の戻り、ステップＳ７０にてＹＥＳと判定するまでステップＳ５０～Ｓ７０を繰り返す。これにより、バケット１０の先端が掘削開始位置に到達するまで戻り動作の制御を行う。バケット１０の先端が掘削開始位置に到達したと判定した場合（Ｙｅｓの場合）には、戻り動作の制御を終了する（エンド）。
【0089】
次に、第１の実施形態の作業機械の戻り動作の制御におけるバケットの経路について図１２～図１６を用いて説明する。第１に、戻り動作においてバケットと接触する周囲地形（周囲物体）が存在しない場合のバケットの経路を説明する。図１２は第１の実施形態に係る作業機械の戻り動作においてバケットと接触する周囲地形（周囲物体）が存在しない場合のバケット経路を示す説明図である。
【0090】
図１２に示すように、掘削開始位置の近傍に戻り動作のバケットと接触する土砂などの周囲地形が存在しない場合を考える。この場合、掘削開始位置の近傍に侵入禁止領域が設定されないので、式（４）に示す評価関数Ｊのうち式（４ｃ）のペナルティコストＰがゼロ値となる。したがって、式（４ｃ）のペナルティコストがゼロ値である評価関数Ｊの最適化演算の結果から得られた制御入力に基づいてバケット１０の先端が掘削開始位置まで移動する。このため、上部旋回体５の旋回動作とフロント作業装置２の下げ動作の複合動作によって、バケット１０が例えば図１２に示す白抜き矢印の方向である斜め下方へ移動することとなる。
【0091】
第２に、接触禁止の接触特性が設定される周囲地形が存在する場合の戻り動作時のバケットの経路について図１３及び図１４を用いて説明する。図１３は戻り動作においてバケットと接触する可能性がある周囲地形（周囲物体）が存在する場合のバケット経路の一例を示す説明図である。図１４は第１の実施形態に係る作業機械の戻り動作において接触禁止の接触特性が設定された周囲地形（周囲物体）が存在する場合のバケット経路を示す説明図である。
【0092】
図１３に示すように、掘削開始位置の近傍にバケット１０との接触可能性がある周囲地形（周囲物体）が存在する場合を考える。さらに、当該周囲地形は、旋回中のバケット１０との接触を許容しない接触特性が設定される場合を考える。この場合、上部旋回体５の旋回動作とフロント作業装置２の下げ動作の複合動作によって、バケット１０が図１２に示すような斜め下方へ移動して周囲地形に接触する経路を移動すると、式（４ｃ）のペナルティコストの値によって評価関数Ｊが増大してしまう。
【0093】
本実施の形態においては、評価関数Ｊの最適化演算の結果から得られる制御入力に基づき戻り動作の制御を行う。したがって、上部旋回体５の旋回動作が行われている場合には、式（４ｃ）のペナルティコストの値によって評価関数Ｊが増大することがないように、バケット１０は図１４に示すように周囲地形（周囲物体）と接触しない経路を介してフロント作業装置２の動作のみで掘削開始位置に到達可能な位置まで移動する。それから、バケット１０は、上部旋回体５の旋回動作無しにフロント作業装置２の動作のみによって掘削開始位置に到達する。
【0094】
第３に、接触許可の接触特性が設定される周囲物体が存在する場合の戻り動作時のバケットの経路について図１５を用いて説明する。図１５は第１の実施形態に係る作業機械の戻り動作において接触可能な接触特性が設定された周囲地形（周囲物体）が存在する場合のバケット経路を示す説明図である。
【0095】
図１５に示すように、掘削開始位置の近傍にバケット１０との接触可能性がある周囲地形（周囲物体）が存在する場合を考える。さらに、当該周囲地形は、旋回中のバケット１０との接触を許容する接触特性が設定される場合を考える。この場合、バケット１０が上部旋回体５の旋回動作とフロント作業装置２の下げ動作との複合動作によって図１２に示す場合と同様に斜め下方へ移動して周囲地形に接触する経路を移動すると、条件付きの接触許可を示す接触特性に対応した設定された式（４ｃ）のペナルティコストがゼロ値になるので、評価関数Ｊは増大することがない。そのため、評価関数Ｊの最適化演算の結果から得られた制御入力に基づき戻り動作を制御すると、例えば図１５に示すように、上部旋回体５の旋回動作とフロント作業装置２の下げ動作との複合動作によって、バケット１０が斜め下方へ移動して掘削開始位置まで移動する結果となる。
【0096】
このように、本実施の形態においては、旋回中のバケット１０と掘削開始位置の近傍に存在する周囲地形（周囲物体）との接触の可否の条件を示す接触特性の設定に応じて、戻り動作中のバケット１０の移動経路を変更する。例えば、周囲地形（周囲物体）が硬いと想定される場合には、旋回中のバケット１０との接触を許容しない接触禁止の接触特性を当該周囲地形に設定することで、旋回中のバケット１０の移動経路が当該周囲地形と接触しない経路となる。したがって、フロント作業装置２に生じる損傷の可能性を低減しつつ、掘削開始位置に到達することができる。また、周囲地形が柔らかいと想定される場合には、旋回中のバケット１０との接触を許容することを示す接触許可の接触特性を当該周囲地形に設定することで、旋回中のバケット１０の移動経路が当該周囲地形との接触を許容した経路となる。この場合、当該周囲地形との接触を許容することで、バケット１０は当該周囲地形との接触を回避する経路よりも短い経路を介して掘削開始位置に到達することができる。
【0097】
また、本実施の形態においては、被積込機械１００に対してバケット１０との接触を全く許容しない接触禁止の接触特性を設定し、接触禁止の接触特性に応じて設定した評価関数Ｊの最適化演算から得られた制御入力に基づき戻り動作を制御する。これにより、例えば図１６に示すように、被積込機械１００とバケット１０との接触を回避する戻り動作を行うことができる。図１６は第１の実施形態に係る作業機械の戻り動作において被積込機械への放土動作終了時点からのバケット経路を示す説明図である。
【0098】
バケット１０がダンプ動作により放土した後、被積込機械１００に最も接近するバケット１０の位置は先端部になる。そこで、評価関数ＪのペナルティコストＰにおけるペナルティ関数Ｆを設定するときに、周囲物体である被積込機械１００を包含するように侵入禁止領域を設定する。また、式（４ｃ）のペナルティコストＰにおける重みμｐを接触禁止の接触特性に対応させて旋回速度ωＳｗｇと無関係に一定とする。このように評価関数ＪのペナルティコストＰを設定すると、バケット１０が被積込機械１００に接触する経路（侵入禁止領域に侵入する経路）をとると、式（４ｃ）のペナルティコストの値によって評価関数Ｊが増大してしまう。そのため、評価関数Ｊの最適化演算の結果から得られる制御入力に基づき戻り動作を制御すると、例えば図１６に示すように、被積込機械１００とバケット１０との接触を回避する戻り動作を行うことができる。
【0099】
上述したように、第１の実施形態に係る油圧ショベル１（作業機械）は、旋回可能な上部旋回体５（旋回体）と、上部旋回体５（旋回体）に対して上下方向に回動可能に取り付けられ、バケット１０（作業具）を有する多関節型のフロント作業装置２（作業装置）と、上部旋回体５（旋回体）の周囲に存在する地形を含む物体を検出する周囲物体検出装置２６と、上部旋回体５（旋回体）及びフロント作業装置２（作業装置）を制御する制御装置６０とを備える。制御装置６０は、フロント作業装置２（作業装置）が掘削対象の掘削を開始する位置である掘削開始位置に向かってバケット１０（作業具）を移動させる戻り動作の制御を行うように構成されている。制御装置６０は、周囲物体検出装置２６により検出された物体である周囲物体に対してバケット１０（作業具）との接触の可否を設定し、周囲物体のうち接触可に設定された周囲物体については、バケット１０（作業具）の接触を許容しつつ戻り動作を行うように、上部旋回体５（旋回体）及びフロント作業装置２（作業装置）を動作させるように構成されている。
【0100】
この構成によれば、接触可に設定された周囲物体とバケット１０（作業具）との接触を許容する戻り動作は、当該周囲物体との接触を回避する戻り動作の場合よりも、掘削位置までの経路を短くすることが可能となる。この場合、周囲物体に対するバケット１０（作業具）との接触の可否をバケット１０（作業具）の損傷可能性に応じて設定することで、バケット１０（作業具）の損傷可能性を低減することができる。すなわち、掘削位置までの到達時間の短縮とバケット１０（作業具）の周囲物体との接触による損傷可能性の低減とを両立させた戻り動作を行うことができる。
【0101】
また、本実施の形態に係る油圧ショベル１（作業機械）の制御装置６０は、周囲物体に対してバケット１０（作業具）との接触の可否の条件を示す接触特性を設定し、バケット１０（作業具）の周囲物体に対する接触の有無が前記接触特性を満たしつつバケット１０（作業具）が掘削開始位置に近づくような上部旋回体５（旋回体）及びフロント作業装置２（作業装置）の制御入力を演算し、当該演算された制御入力に基づき上部旋回体５（旋回体）及びフロント作業装置２（作業装置）を動作させるように構成されている。
【0102】
この構成によれば、周囲物体に設定された接触特性を満たしつつ掘削開始位置に近づくようにバケット１０（作業具）を移動させることができるので、周囲物体に対する接触特性がバケット１０（作業具）の損傷可能性の低さを考慮してバケット１０（作業具）との接触を許容するよう設定されている場合、バケット１０（作業具）が周囲物体を回避せずに掘削開始位置へ移動する経路を経ることで周囲物体を回避する経路よりも到達時間を短くすることができる。すなわち、掘削位置までの到達時間の短縮とバケット１０（作業具）の周囲物体との接触による損傷の可能性の低減とを両立させた戻り動作を行うことができる。
【0103】
また、本実施の形態に係る油圧ショベル１（作業機械）の制御装置６０は、周囲物体の種類又は属性を判別し、判別結果の周囲物体の種類又は属性に応じて接触特性を設定するように構成されている。
【0104】
この構成によれば、周囲物体検出装置２６により検出された周囲物体の種類や属性を制御装置６０がオペレータの操作を介さずに自動で判別して接触特性を設定するので、戻り動作時のオペレータの操作の手間を低減することができる。
【0105】
また、本実施の形態に係る油圧ショベル１（作業機械）の制御装置６０は、オペレータにより操作される入力装置２８からの指示に応じて接触特性を設定するように構成されている。
【0106】
この構成によれば、周囲物体検出装置２６により検出された周囲物体に対してオペレータの判断に対応した接触特性が設定されるので、オペレータの意図した戻り動作を実現することが可能となる。
【0107】
また、本実施の形態に係る油圧ショベル１（作業機械）においては、接触特性が上部旋回体５（旋回体）の旋回動作に伴いバケット１０（作業具）が移動する場合と上部旋回体５（旋回体）の旋回動作が無くフロント作業装置２（作業装置）の動作に伴いバケット１０（作業具）が移動する場合とで周囲物体に対するバケット１０（作業具）との接触の可否の条件が異なるように設定されている。
【0108】
この構成によれば、バケット１０（作業具）の移動形態に応じて周囲物体に対する接触特性を変更することで、周囲物体との接触によるバケット１０（作業具）の損傷の可能性を低減することができる。
【0109】
また、本実施の形態に係る油圧ショベル１（作業機械）においては、接触特性が周囲物体に対するバケット１０の先端部（作業具の一部分）との接触の可否の条件を示すものである。
【0110】
この構成によれば、バケット１０全体のうち先端部（作業具の一部分）の情報のみを用いて制御入力の演算を行うので、演算負荷を抑制することができる。
【0111】
また、本実施の形態に係る油圧ショベル１（作業機械）においては、接触特性が周囲物体に対するバケット１０（作業具）の全体（頂点Ａ、Ｂ、Ｃ）との接触の可否の条件を示すものである。
【0112】
この構成によれば、周囲物体に対するバケット１０（作業具）の接触の有無についてバケット１０（作業具）の全体が考慮されている制御入力が演算されるので、バケット１０（作業具）の周囲物体に対する接触を確実に回避することができる。
【0113】
また、本実施の形態に係る油圧ショベル１（作業機械）においては、接触特性が、周囲物体に対するバケット１０（作業具）の先端部（第１部分）との接触の可否の条件と、周囲物体に対するバケット１０（作業具）の先端部（第１部分）とは異なる幾何中心（第２部分）との接触の可否の条件とが異なるように設定されている。
【0114】
この構成によれば、周囲物体に対して適切な接触特性を設定することで、掘削位置までの到達時間の短縮を優先したり、バケット１０（作業具）の周囲物体との接触による損傷の可能性の低減を優先したりすることができる。
【0115】
また、本実施の形態に係る油圧ショベル１（作業機械）の制御装置６０は、周囲物体が旋回体の周囲に存在する地形である周囲地形の場合、周囲物体検出装置２６の検出情報を基に得られる周囲地形の作業開始前の形状と掘削作業中の形状とを比較し、周囲地形の作業開始前の形状に対する掘削作業中の形状の変化分の領域に対して、バケット１０（作業具）との接触を許容する接触特性を設定するように構成されている。
【0116】
この構成によれば、周囲地形の作業開始前の形状に対する掘削作業中の形状の変化分の領域が掘削作業により生じた土砂と想定されるので、当該領域の土砂との接触よるバケット１０（作業具）の損傷の可能性は低い。このことから、掘削位置までの到達時間の短縮を優先させることができる。
【0117】
また、本実施の形態に係る油圧ショベル１（作業機械）の制御装置６０は、モデル予測制御の評価関数Ｊを用いて上述の制御入力の演算を行うように構成されている。制御装置６０は、周囲物体検出装置２６の検出情報に基づき周囲物体の位置を演算し、演算結果の周囲物体の位置に基づき設定した侵入禁止領域にバケット１０（作業具）が侵入する条件の場合に値が増加するペナルティ関数Ｆと接触特性に応じて設定した重みμｐとの積で表されたペナルティコストＰを含むように評価関数Ｊを設定するように構成されている。
【0118】
この構成によれば、ペナルティコストＰが周囲物体に設定された接触特性を反映させた関数となるので、評価関数Ｊのアルゴリズムを制御装置６０に実装することで、本実施の形態の戻り動作の制御を実現することができる。
【0119】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る作業機械について図１７及び図１８を用いて説明する。図１７は本発明の第２の実施形態に係る作業機械における制御装置の機能を示すブロック図である。図１８は掘削対象が鉱物を含む場合であると共に戻り動作においてバケットと接触する可能性がある周囲地形（周囲物体）が存在する場合を示す説明図である。なお、図１７及び図１８において、図１～図１６に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。
次に、第２の実施形態に係る作業機械について図１７及び図１８を用いて説明する。図１７は本発明の第２の実施形態に係る作業機械における制御装置の機能を示すブロック図である。図１８は掘削対象が鉱物を含む場合であると共に戻り動作においてバケットと接触する可能性がある周囲地形（周囲物体）が存在する場合を示す説明図である。なお、図１７及び図１８において、図１～図１６に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【0120】
第２の実施形態に係る作業機械が第１の実施形態と異なる点は、次のとおりである。第１に、油圧ショベル１は、作業機械自身のグローバル座標系の３次元位置に関する情報を検出する位置情報検出装置２９を備えていることである。第２に、制御装置６０Ａは、周囲物体検出装置２６により検出される周囲地形に対して、位置情報検出装置２９の検出情報及び作業現場の地質情報を用いて接触特性を設定することである。
【0121】
具体的には、図１７に示す第２の実施形態に係る制御装置６０Ａでは、周囲物体検出装置２６により検出される周囲地形に対する周囲物体特性設定部７３Ａの接触特性の設定方法が異なる。制御装置６０Ａは、第１の実施形態に係る制御装置６０における周囲物体特性設定部７３以外の機能部である姿勢演算部７１、周囲物体位置演算部７２、評価関数設定部７４、最適化演算部７５、アクチュエータ制御部７６と同様な機能部を有している。
【0122】
制御装置６０Ａは、位置情報検出装置２９と電気的又は通信可能に接続されていると共に、地質情報データベース８１（以下、地質情報ＤＢと称することがある）と通信可能に接続されている。位置情報検出装置２９は、例えば、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）を用いることで油圧ショベル１自体のグローバル座標系の位置を検出するものである。位置情報検出装置２９は、例えば、測位衛星の衛星信号を受信するＧＮＳＳアンテナと、ＧＮＳＳアンテナによって受信された衛星信号を基にＧＮＳＳアンテナのグローバル座標系の位置を演算するＧＮＳＳ受信機とで構成されている。地質情報ＤＢ８１は、グローバル座標の位置が付与されている掘削対象を含む作業現場の地形に対して硬度、粘性、単位体積当たりの質量などの地質情報を格納している。地質情報ＤＢ８１は、グローバル座標の位置と関連付けられた掘削対象を含む作業現場の地質情報を通信装置を介して制御装置６０Ａへ送信する。
【0123】
制御装置６０Ａは、地質情報ＤＢ８１から送信された地質情報を取得するように構成されている。なお、制御装置６０Ａは、当該地質情報を予め内部記憶装置６２に記憶しておくように構成することも可能である。
【0124】
制御装置６０Ａの周囲物体特性設定部７３Ａは、位置情報検出装置２９により検出された油圧ショベル１の位置及び姿勢演算部７１の演算結果である上部旋回体５の姿勢情報を用いることで、周囲物体検出装置２６により検出された周囲地形のグローバル座標系の位置を特定し、地質情報ＤＢ８１から取得したグローバル座標の位置情報が付与された地質情報を参照することで、周囲地形の種類や属性を判別する。周囲物体特性設定部７３Ａは、さらに、周囲地形の種類や属性の判別結果に応じて当該周囲地形の接触特性を設定する。
【0125】
例えば、周囲物体検出装置２６が検出した周囲地形に対応するグローバル座標系の位置の地質情報が所定よりも硬い土砂である場合、周囲物体特性設定部７３Ａは、当該周囲地形に対して旋回中のバケット１０の接触を許容しない接触禁止の接触特性を設定する。
【0126】
また、周囲物体検出装置２６が検出した周囲地形に対応するグローバル座標系の位置の地質情報が所定よりも柔らかい土砂である場合、当該周囲地形に対して旋回中のバケット１０の接触を許容する接触許可の接触特性を設定する。ただし、図１８に示すように、地質情報ＤＢ８１から取得した地質情報から掘削開始位置に掘削対象の鉱物が存在していることが判明している場合であって掘削開始位置の近傍の周囲地形の土砂を検出した場合、周囲物体特性設定部７３Ａは、検出された周囲地形の土砂が所定よりも柔らかい場合であっても、当該周囲地形に対して旋回中のバケット１０の接触を許容しない接触禁止の接触特性を設定するように構成することも可能である。旋回中のバケット１０が掘削開始位置の周囲地形に接触すると、周囲地形の土砂が落下して掘削対象の鉱物と混在してしまう懸念がある。そこで、周囲地形が所定よりも柔らかい土砂であっても、周囲地形の土砂と掘削対象の鉱物との混在を回避するために、上述したように旋回中のバケット１０との接触を許容しない接触禁止の接触特性を設定する。
【0127】
上述した第２の実施形態によれば、前述した第１の実施形態の場合と同様に、周囲物体に設定された接触特性を満たしつつ掘削開始位置に近づくようにバケット１０（作業具）を移動させることができるので、掘削位置までの到達時間の短縮とバケット１０（作業具）の周囲物体との接触による損傷の可能性の低減とを両立させた戻り動作を行うことができる。
【0128】
また、本実施の形態に係る油圧ショベル１（作業機械）の制御装置６０Ａは、作業現場の地質情報を取得し又は予め記憶し、周囲物体が上部旋回体５（旋回体）の周囲に存在する地形である周囲地形の場合には、周囲地形に対して取得又は記憶している地質情報に応じて接触特性を設定するように構成されている。
【0129】
この構成によれば、周囲地形の接触特性を地質情報に基づく属性に応じて設定することができるので、バケット１０（作業具）の周囲地形との接触による損傷の可能性を確実に低減することができる。
【0130】
［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態に係る作業機械について図１９を用いて説明する。図１９は第３の実施形態に係る作業機械における制御装置の機能を示すブロック図である。なお、図１９において、図１～図１８に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。
次に、第３の実施形態に係る作業機械について図１９を用いて説明する。図１９は第３の実施形態に係る作業機械における制御装置の機能を示すブロック図である。なお、図１９において、図１～図１８に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【0131】
第３の実施形態に係る作業機械が第２の実施形態に対して相違する点は、制御装置６０Ｂが地質情報ＤＢ８１の格納している地質情報の代わりに設計データベース８２（以下、設計ＤＢと称することがある）の格納している作業現場の設計情報に基づき周囲地形に対する接触特性を設定することである。
【0132】
具体的には、設計ＤＢ８２は、グローバル座標の位置と関連付けられた作業現場の各地形を被積込機械１００の走行経路や掘削作業の対象のベンチなどに分類した設計情報を格納している。設計ＤＢ８２は、グローバル座標の位置と関連付けられた作業現場の設計情報を通信装置を介して制御装置６０Ｂへ送信する。
【0133】
制御装置６０Ｂは、設計ＤＢ８２と通信可能に接続されており、設計ＤＢ８２から送信された設計情報を取得するように構成されている。なお、制御装置６０Ｂは、当該設計情報を予め内部記憶装置６２に記憶しておく構成も可能である。
【0134】
制御装置６０Ｂの周囲物体特性設定部７３Ｂは、位置情報検出装置２９により検出された油圧ショベル１の位置及び姿勢演算部７１の演算結果の上部旋回体５の姿勢情報を基に周囲物体検出装置２６により検出された周囲地形のグローバル座標系の位置を特定する。さらに、グローバル座標系の位置を特定した周囲地形の種類や属性について、設計ＤＢ８２から取得した設計情報（グローバル座標系の位置が関連付けられている情報）を参照して判別する。周囲物体特性設定部７３Ｂは、さらに、当該周囲地形に対して判別結果の種類や属性に応じて接触特性を設定する。
【0135】
例えば、周囲物体検出装置２６により検出された周囲地形のグローバル座標系の位置に対応する設計情報が被積込機械１００の走行経路の地形である場合、周囲物体特性設定部７３Ｂは、当該周囲地形に対して旋回中のバケット１０との接触を許容しない接触禁止の接触特性を設定する。これにより、バケット１０の当該走行経路との接触を回避することができる。そのため、被積込機械１００の走行経路の地形が荒らさずに維持されるので、被積込機械１００の走行の快適性が損なわれることがない。
【0136】
上述した第３の実施形態によれば、前述した第２の実施形態と同様に、周囲物体に設定された接触特性を満たしつつ掘削開始位置に近づくようにバケット１０（作業具）を移動させることができるので、掘削位置までの到達時間の短縮とバケット１０（作業具）の周囲物体との接触による損傷の可能性の低減とを両立させた戻り動作を行うことができる。
【0137】
また、本実施の形態に係る油圧ショベル１（作業機械）の制御装置６０Ｂは、被積込機械１００の走行経路の情報を含む作業現場の設計情報を取得し又は予め記憶し、周囲物体が取得又は記憶している設計情報に含まれる走行経路に対応する地形である場合には、周囲物体に対してバケット１０（作業具）との接触を許容しない接触特性を設定するように構成されている。
【0138】
この構成によれば、被積込機械１００の走行経路に対するバケット１０（作業具）の接触が回避されることで、当該走行経路が荒らされることがないので、被積込機械１００の走行の快適性を維持することができる。
【0139】
［その他の実施の形態］
なお、本発明は本実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
なお、本発明は本実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
【0140】
例えば、上述した第１～第３の実施の形態においては、フロント作業装置２の作業具としてバケット１０を備える油圧ショベル１を例示した。しかし、バケット１０以外の作業具を備える油圧ショベルに対しても本発明を適用することが可能である。また、旋回可能な旋回体に多関節型の作業装置が取り付けられているものであれば、油圧ショベル１以外の各種の作業機械に対しても本発明を適用することも可能である。
【0141】
また、上述した実施形態においては、掘削開始位置設定装置２７が制御装置６０に接続されている構成の例を示した。しかし、制御装置６０が外部からの入力無しに掘削開始位置を設定する構成も可能である。例えば、周囲物体検出装置２６により検出された周囲地形の情報を基に掘削開始位置を自動で判別する構成が可能である。
【0142】
また、上述した実施形態においては、操作装置５０が電気式の操作レバー装置である構成の例を示した。しかし、操作装置は、油圧式の操作レバー装置で構成することも可能である。
【符号の説明】
【0143】
１…油圧ショベル（作業機械）、 ２…フロント作業装置（作業装置）、 ５…上部旋回体（旋回体）、 １０…バケット（作業具）、 ２６…周囲物体検出装置、 ２８…入力装置、 ６０…制御装置、 １００…被積込機械
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】